Prostownik

Prostownik
Czym jest prostownik?
Prostownik jest to element albo zestaw elementów elektronicznych, które służą do zmiany napięcia przemiennego w napięcie jednego znaku. Takie napięcie po odfiltrowaniu może zostać zamienione na napięcie stałe.
Jak to można rozumieć? Aby dokładniej zrozumieć definicję prostownika, będzie nam przydatne poznanie kilku pojęć.
Prąd przemienny – to rodzaj prądu, którego natężenie i kierunek przepływu zmieniają się. W prądzie przemiennym napięcie jest przemienne – to znaczy, że wartość liczbowa napięcia oraz jego znak się zmieniają.
Filtr – może występować w obwodzie elektrycznym lub jego części. Jego funkcją między innymi jest przepuszczanie lub też blokowanie sygnałów o określonej częstotliwości.
Prąd stały ma stały zwrot i stały kierunek przepływu ładunków elektrycznych. Jego natężenie zależy od warunków w obwodzie elektrycznym w danym czasie.

Gdzie używa się prostowniki? Czyli trochę o zastosowaniach prostowników.
Prostowniki znalazły swoje zastosowanie w energetyce, w galwanotechnice ( galwanotechnika to dział techniki, który zajmuje się teoretycznym i praktycznym wytwarzaniem powłok na różnych podłożach ), w zasilaniu maszyn i urządzeń na przykład w lokomotywach elektrycznych, w dużej części urządzeń elektronicznych, które zasilane są prądem z sieci elektrycznych bądź jakimkolwiek napięciem przemiennym.
Prostownikiem nazwiemy również detektor diodowy, który służy do wykrywania ( detekcji ) sygnału radiowego zmodulowanego FM lub AM.
FM – modulacja częstotliwości – kodowanie informacji w fali nośnej ( fali elektromagnetycznej o stałej częstotliwości, która wytwarzana jest przez nadajnik fal elektromagnetycznych ) przez chwilowe zmiany jej częstotliwości w zależności od jej modulacji czyli w zależności od sygnału wejściowego. Uzyskuje się w ten sposób sygnał analogowy stosowany do przesyłania sygnału radiowego w zakresie fal ultrakrótkich. Dawniej stosowano to też w transmisji sygnału analogowego telewizji naziemnej.
AM – modulacja amplitudy – to kodowanie sygnału informacyjnego podczas chwilowych zmian amplitudy sygnału nośnego. Uzyskany sygnał jest sygnałem wąskopasmowym stosowanym na przykład do transmisji radiowych.
Prostowniki w połączeniu z transformatorem, układem regulującym i innymi elementami są elementami tworzącymi ładowarkę.

Rozwiązania konstrukcyjne
W dzisiejszych czasach prostowniki są zbudowane głównie z diod krzemowych. Ale stosuje się również inne rozwiązania na przykład układy elektrochemiczne, układy metal – półprzewodnik, prostownicze diody próżniowe ( lub gazowe ) i prostowniki rtęciowe.

Układy elektrochemiczne
W układach elektrochemicznych jedna z elektrod zanurzona jest w elektrolicie i wytwarza warstwę zaporową. Warstwa zaporowa blokuje przepływ prądu w jednym kierunku. Przykład układu elektrochemicznego: ołów – elektrolit alkaliczny – glin.

Układ metal – półprzewodnik
Ten układ był powszechnie stosowany zanim opracowano technologię diod półprzewodnikowych. Zestawy, które były najczęściej używane to prostownik kuprytowy – miedź – tlenek miedzi oraz prostownik selenowy – metal – selen.
Prostownicze diody próżniowe ( lub gazowe )
Potocznie nazywane są lampami. w których podczas spolaryzowania w kierunku przewodzenia elektrony są emitowane poprzez podgrzewanie elektrycznie katody. Elektrony te przemieszczają się następnie w kierunku spolaryzowanej dodatnio anody. Natomiast , gdy polaryzacja jest odwrócona elektrony te blokują przepływ prądu.

Prostowniki rtęciowe
Do prostowników rtęciowych zaliczamy: ignitrony, ekscitrony ( inaczej ekscytrony ) oraz senditrony.

Ignitrony
Ignitrony są to prostowniki rtęciowe. Składają się z ciekłej katody rtęciowej, anody oraz elektrody zapłonowej ( inaczej ignitora – stąd nazwa), która służy do wzniecenia wyładowania. Wszystkie te elementy tworzą lampę gazowaną. Dawniej były stosowane w kolejowych i tramwajowych układach tradycyjnych oraz w przemyśle. Miały jednak poważną wadę. Spowodowało to, że przestano ich używać. Wadą tą była emisja par rtęci do środowiska przez pompy próżniowe. Rtęć ta była niebezpieczna dla ludzi, którzy pracowali przy ignitronach, więc zdecydowano się na zaprzestanie korzystania z nich.

Ekscitrony
Ekscitrony to gazowane lampy prostownicze. Składają się z katody rtęciowej , dwóch anod ( anody głównej oraz anody pomocniczej ) oraz z mechanicznego urządzenia, którego zadaniem jest wzniecenie wyładowania elektrycznego. Funkcją anody pomocniczej jest podtrzymywanie tego wyładowania jeśli w obwodzie anody głównej nie przepływa prąd elektryczny. Ekscitrony swoje zastosowanie znalazły w urządzeniach o bardzo wielkiej mocy na przykład w elektrolizerach hutniczych.

Senditrony
Senditrony to następny rodzaj prostowników rtęciowych. Różnica pomiędzy senditronami a ignitronami i ekscitronami jest taka, że posiadają rtęciową anodę. Tak właściwie, to posiadały, ponieważ przestano ich używać pod koniec lat 60 dwudziestego wieku, czyli dość dawno temu. Zostały one zastąpione przez tyrystory.

Prostowniki jednofazowe
Do prostowników jednofazowych zaliczamy : jednopołówkowe ( inaczej półokresowe ) oraz dwupołówkowe (pełnookresowe ).
Prostowniki jednofazowe jednopołówkowe
Najprostszym prostownikiem tego rodzaju jest dioda prostownicza, która jest wpięta w układ napięcia przemiennego. Dioda prostownicza charakteryzuje się właśnie tym, że służy głównie do prostowania prądu przemiennego. Główną i bardzo ważą cechą diody prostowniczej jest fakt, że może ona przewodzić prąd o dużym natężeniu. Układy takie, mimo, że mają prostą budowę, są rzadko wykorzystywane, ponieważ występuje duże tętnienie napięcia wyjściowego.
Prąd tętniący – to prąd elektryczny, który jest okresowo zmienny, a jego wartość średnia całookresowa jest różna od zera, czyli ma składową stałą.
Inną ważną rzeczą przez którą prostowniki te są rzadko wykorzystywane jest to, że energia pobierana ze źródła energii jest wykorzystywana przez pół okresu ( co wskazuje nazwa ). Podczas drugiej połowy okresu, prąd w układzie nie płynie, ponieważ napięcie jest blokowane. Jest to bardzo niekorzystne dla sieci prądu przemiennego, ponieważ następuje niesymetryczne obciążenie układu prądu przemiennego.

Prostowniki jednofazowe dwupołówkowe
W tym rodzaju prostowników moc źródła napięcia przemiennego może być wykorzystywana cały czas. Dlaczego? Napięcie wyjściowe tego prostownika ma znacznie mniejsze tętnienia niż przy prostownikach jednopołówkowych. Prostowniki jednofazowe dwupołówkowe mają też swoją wadę. Jest nią to, że układ elektryczny jest bardziej skompilowany niż przy prostownikach jednopołówkowych. Może występować układ mostkowy lub układ dwudiodowy.
Układ mostkowy ( mostek Graetza )
Najpierw trochę definicji:
Mostek – jest to połączenie równoległe przynajmniej dwóch dzielników napięcia.
Połączenie równoległe – jest to rodzaj połączenia ze sobą różnych elementów elektrycznych, gdzie wszystkie końce i początki tych elementów elektrycznych są połączone razem.
Dzielnik napięcia ( inaczej czwórnik ) – to element zapewniający jakiegoś określonego stosunku między napięciami: wejściowym oraz wyjściowym.

Mostek Graetza
Jest zbudowany z czterech diod prostowniczych, które połączone są w specyficzny układ prostujący. Są do tego wykorzystywane obydwie połówki napięcia przemiennego – czyli prostownik dwupołówkowy. Ważne jest to, że prąd na wyjściu płynie zawsze w tę samą stronę, nie ważne w jakim kierunku płynie prąd na wejściu. Mostki prostownicze Graetza mogą być budowane z niezależnych diod albo też produkowane w postaci scalonej.
Układ scalony – najprościej tłumacząc – to zminiaturyzowany układ elektroniczny. Wykonany jest najczęściej z krzemu lub z innego monokryształu półprzewodnikowego.
Współcześnie mostki Graetza są produkowane z krzemowych diod półprzewodnikowych. W dawnych czasach używano do tego innych materiałów. Wykorzystywano między innymi diody germanowe, prostowniki selenowe lub prostowniki kuprytowe. Konstrukcję mostka Graetza wymyślił Leo Graetz – urodzony we Wrocławiu w 1856 roku niemiecki fizyk. Natomiast sam mostek wynalazł Karol Pollak – polski konstruktor, wynalazca, elektrotechnik i przedsiębiorca.
Podsumowując układ mostkowy to układ wykorzystujący cztery diody prostownicze, taki układ pozwala na prostowanie napięcia pochodzącego z dowolnego źródła napięcia przemiennego.

Układ dwudiodowy
Wymaga on uzwojenia wtórnego transformatora podzielonego na dwie równe części, jako źródło zasilania.
Uzwojenie wtórne transformatora – to rodzaj uzwojenia, którego napięciem wyjściowym jest napięcie wtórne. Napięcie wtórne różni się od napięcia pierwotnego.
Transformator – to maszyna elektryczna składająca się z dwóch zwojnic nawiniętych na wspólny rdzeń, która służy do zmian napięcia prądu przemiennego. Transformator może obniżać oraz podwyższać energię.
Obecnie układy dwupołówkowe są już bardzo rzadko stosowane. Wynika to z niezwykle wysokich kosztów dzielonego uzwojenia. Koszty te są znacznie większe niż koszty diod wykorzystywanych w układach mostkowych. Obecnie najczęściej stosowanymi prostownikami jednofazowymi są mostki Graetza. Napięcie powstaje w dwóch etapach. W pierwszym z nich, czyli w pierwszej połówce okresu przewodzą tylko dwie z czterech diod, a te dwie diody, które nie przewodzą są spolaryzowane zaporowo ( złącze p – n ). Z kolei w drugim etapie, czyli w drugiej połówce okresu, przewodzą tylko dwie pozostałe diody. Napięcie na wejściu, to napięcie przemienne. Oznacza to, że zmienia swoją polaryzację na ujemną i na dodatnią. Z kolei układ mostka jest skonstruowany tak, że napięcie wyjściowe jest jednokierunkowe, czyli prąd płynie tylko w kierunku dodatnim. Natomiast napięcie wyjściowe jest zawsze jednokierunkowe. Nie jest ono jednak napięciem stałym. Napięcie to wykazuje znaczne tętnienie. Przez to prostowniki stosuje się z odpowiednimi filtrami dolnoprzepustowymi, które wygładzają przebieg procesu.

Prostowniki trójfazowe
Prostowniki trójfazowe stosuje się w miejscach, które mają trójfazowe zasilanie. Charakteryzują się ona znacznie mniejszym tętnieniem napięcia wyjściowego niż omawiane wcześniej prostowniki jednofazowe. Do prostowników jednopołówkowych zaliczamy prostowniki jednopołówkowe i dwupołówkowe.
Prostowniki jednopołówkowe
Mogą działać tylko w układzie trójfazowym z przewodem neutralnym.
Układ trójfazowy – to układ obwodów elektrycznych, który ma trzy obwody elektryczne prądu przemiennego.
Przewód neutralny – jest połączony z punktem neutralnym sieci elektroenergetycznej.
W prostownikach trójfazowych układ źródeł napięcia musi być połączony w gwiazdę , która może być gwiazdą katodową lub anodową.
Prostowniki dwupołówkowe
Są stosowane w układzie napięcia trójfazowego, bez konieczności obecności przewodu neutralnego. Napięcie wyjściowe ma bardzo małe tętnienie. Energia pobierana ze źródeł zasilania jest wykorzystywana w jak największym zakresie.
Prostowniki wielofazowe
Są stosowane w impulsowych konwerterach napięcia stałego. Występują układy trójpulsowe, sześciopulsowe, dwunastopulsowe i tak dalej. Nazwa pochodzi od liczby pulsów. Zapewniają one mniejsze tętnienie napięcia wyprostowanego niż prostowniki jednofazowe.
Prostowniki sterowane
W prostownikach tych, diody prostownicze są zastępowane tyrystorami. Tyrystory są sterowane za pomocą układów cyfrowych lub analogicznych. Wykorzystuje się je w miejscach, w których wymagana jest płynna regulacja mocy wyjściowego urządzenia na przykład automatycznych ładowarkach akumulatorów w samochodach.
Prostowniki lampowe
W tych prostownikach używane są lampy elektronowe. Dodatkowo istnieje konieczność zasilania włókna żarzenia. Najwygodniejsze w stosowaniu są lampy pośrednio żarzone, ponieważ następuje galwaniczne oddzielenie włókna żarzenia od katody.
Prostowniki specjalne
Inaczej powielacze napięcia. Pozwalają one na zwielokrotnienie wejściowego napięcia prądu przemiennego bez wykorzystywania transformatora. Powielacze napięcia to obwód elektryczny, który transformuje prąd zmienny, na stały o wyższym napięciu wejściowym.